Fonction exponentielle et dérivation
- \(f_1:x\mapsto 3x^2+2+\exp(x)\) sur \(\mathbb{R}\)
- \(f_2:x\mapsto \dfrac{x^3}{3}+6\exp (x)\) sur \(\mathbb{R}\)
- \(f_3:x\mapsto\dfrac{\exp(x)}{x}\) sur \(]0;+\infty[\)
- \(f_4:x\mapsto x\, \exp(x)\) sur \(\mathbb{R}\)
- \(f_5:x\mapsto \dfrac{x^2}{\exp(x)-1}\) sur \(]0;+\infty[\)
- \(f_6:x\mapsto \dfrac{3x+1}{x\,\exp(x)}\) sur \(]-\infty;0[\)
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- Pour tout réel \(x\), \(f_1 ‘(x)=6x+\exp (x)\).
- Pour tout réel \(x\), \(f_2 ‘(x)= x^2+6\exp(x)\).
- Pour tout réel strictement positif \(x\), on pose \(u(x)=\exp(x)\) et \(v(x)=x\). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(]0;+\infty [\) et pour tout réel strictement positif, \(u'(x)=\exp(x)\) et \(v'(x)=1\).
Ainsi, pour tout réel \(x\) strictement positif,
\[\begin{eqnarray*}f_3′(x)&=&\dfrac{u'(x) \times v(x) – u(x) \times v'(x)}{(v(x))^2}\\&=&\dfrac{\exp(x)\times x – \exp (x) \times 1}{x^2}\\&=&\dfrac{(x-1)\exp(x)}{x^2}\end{eqnarray*}\] - Pour tout réel \(x\), on pose \(u(x)=\exp(x)\) et \(v(x)=x\). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\), \(u'(x)=\exp(x)\) et \(v'(x)=1\).
Ainsi, pour tout réel \(x\),
\[\begin{eqnarray*}f_4′(x)&=&u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x) \\&=&\exp(x) \times 1 + \exp(x) \times x \\&=& (x+1)\exp(x)\end{eqnarray*}\] - Pour tout réel strictement positif \(x\), on pose \(u(x)=x^2\) et \(v(x)=\exp (x) -1\). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(]0;+\infty [\) et pour tout réel \(x\) strictement positif, \(u'(x)=2x\) et \(v'(x)=\exp (x)\).
Ainsi, pour tout réel \(x\) strictement positif,
\[\begin{eqnarray*}f_5′(x)&=&\dfrac{u'(x) \times v(x) – u(x) \times v'(x)}{(v(x))^2}\\&=&\dfrac{2x\times (\exp(x)-1) – x^2 \times \exp(x)}{(\exp(x)-1)^2}\end{eqnarray*}\] - Pour tout réel strictement positif \(x\), on pose \(u(x)=3x+1\) et \(v(x)=x\exp (x)\). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(]-\infty;0 [\) et pour tout réel \(x\) strictement négatif, \(u'(x)=3\) et \(v'(x)=(x+1)\exp (x)\) – c’est la fonction \(f_4\).
Ainsi, pour tout réel \(x\) strictement négatif,
\[\begin{eqnarray*}f_6′(x)&=&\dfrac{u'(x) \times v(x) – u(x) \times v'(x)}{(v(x))^2}\\&=&\dfrac{3 \times x\exp(x) – (3x+1) \times (x+1)\exp(x)}{(x\exp(x))^2}\end{eqnarray*}\]
Que l’on peut simplifier en
\[f_6′(x)=\dfrac{3x-(3x+1)(x+1)}{x^2\exp(x)}=\dfrac{3x-3x^2-3x-x-1}{x^2\exp(x)}=\dfrac{-3x^2-x-1}{x^2\exp(x)}\]
- Soit \(x\) un réel. Montrer que \(f'(x)=(x^2+5x+1)\,\exp(x)\).
- Donner l’équation réduite de la tangente à la courbe de \(f\) au point d’abscisse \(x=0\)
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- Pour tout réel \(x\), on pose \(u(x)=x^2+3x-2\) et \(v(x)=\exp (x)\). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\), \(u'(x)=2x+3\) et \(v'(x)=\exp (x)\).
Ainsi, pour tout réel \(x\),
\[\begin{eqnarray*}f'(x)&=&u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x) \\&=& (2x+3)\exp (x) + (x^2+3x-2) \exp (x)\\ &=& (x^2+5x+1)\,\exp(x)\end{eqnarray*}\] - On rappelle que l’équation de la tangente à la courbe de \(f\) au point d’abscisse 0 a pour équation
\[ y = f'(0)(x-0) + f(0)\]
Or, \(f'(0)=(0^2+5\times 0 + 1 ) \, \exp(0) = 1\) et \(f(0)=(0^2+3\times 0 – 2) \, \exp (0) = -2\). La tangente a donc pour équation
\[ y = x-2\]
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Pour tout réel \(x\), \(f'(x)=4\, \exp(4x)\).
Ainsi, pour tout réel \(x\),
\[f'(x)-4f(x)= 4\,\exp (4x) – 4\, \exp(4x)=0\]
- Quelle est la dérivée de \(u:x \mapsto \exp(3x+5)\) ?
- Quelle est la dérivée de \(v:x \mapsto \exp(2x+3)\) ?
- En utilisant la dérivée d’un produit, en déduire la dérivée de \(f\).
- Montrer que pour tout réel \(x\), \(f'(x)-5f(x)=0\).
- Trouver une autre fonction \(f\) qui vérifie cette équation.
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Pour tout réel \(x\),
\[u'(x)=3\,\exp(3x+5)\]
\[v'(x)=2\,\exp(2x+3) \]
Or, pour tout réel \(x\), \(f(x)=u(x) \times v(x)\). \(f\) est donc dérivable sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\),
\[ \begin{eqnarray*}f'(x)&=&u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x) \\&=& 3\,\exp(3x+5) \times \exp(2x+3) + \exp(3x+5) \times 2\,\exp(2x+3)\\&=& 5\,\exp(3x+5) \times \exp(2x+3) \\&=& 5\, f(x)\end{eqnarray*} \]
Autrement dit, pour tout réel \(x\), on a
\[ f'(x)-5f(x)=0\]
Une autre fonction qui vérifie cette relation est la fonction \(g:x \mapsto \exp (5x)\).
La suite du cours nous permettra de simplifier facilement cetet fonction…
- \(f_1:x\mapsto \exp(9x-7)\) sur \(\mathbb{R}\)
- \(f_2:x\mapsto \exp(8-5x)\) sur \(\mathbb{R}\)
- \(f_3:x\mapsto (2x+1)\, \exp (2x+3)\) sur \(\mathbb{R}\)
- \(f_4:x\mapsto x^2\, \exp(4x-1)\) sur \(\mathbb{R}\)
- \(f_5:x\mapsto \dfrac{\exp (-2x+3)}{x^2-1}\) sur \(]-1;1[\)
- \(f_6:x\mapsto \dfrac{\exp(-3x)}{x}\) sur \(]-\infty;0[\)
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- Pour tout réel \(x\), \(f_1 ‘(x)=9\, \exp (9x-7)\).
- Pour tout réel \(x\), \(f_2 ‘(x)=-5\, \exp (8-5x)\).
- Pour tout réel \(x\), on pose \(u(x)=2x+1\) et \(v(x)=\exp(2x+3)\). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\), \(u'(x)=2\) et \(v'(x)=2\exp (2x+3)\).
Ainsi, pour tout réel \(x\),
\[\begin{eqnarray*}f_3′(x)&=&u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x) \\ &=& 2\exp(2x+3) + (2x+1)\times 2\exp(2x+3)\\&=&(4x+4)\exp(2x+3)\end{eqnarray*}\] -
Pour tout réel \(x\), on pose \(u(x)=x^2\) et \(v(x)=\exp(4x-1)\). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\), \(u'(x)=2x\) et \(v'(x)=4\exp (4x-1)\).
Ainsi, pour tout réel \(x\),
\[\begin{eqnarray*}f_4′(x)&=&u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x) \\&=& 2x\,\exp(4x-1) + x^2\times 4\exp(4x-1)\\&=&(4x^2+2x)\exp(4x-1)\end{eqnarray*}\] - Pour tout réel \(x\in ]-1;1[\), on pose \(u(x)=\exp(-2x+3)\) et \(v(x)=x^2-1 \). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(]-1;1 [\), \(v\) ne s’y annule pas, et pour tout réel \(x\in ]-1;1[\), \(u'(x)=-2\exp(-2x+3)\) et \(v'(x)=2x\).
Ainsi, pour tout réel \(x\in ]-1;1[\),
\[\begin{eqnarray*}f_5′(x)&=&\dfrac{u'(x) \times v(x) – u(x) \times v'(x)}{(v(x))^2}\\&=&\dfrac{-2\exp(-2x+3) \times (x^2-1)-\exp(-2x+3)\times 2x}{(x^2-1)^2}\\&=&\dfrac{(-2x^2-2x+2)\exp(-2x+3)}{(x^2+1)^2}\end{eqnarray*}\] -
Pour tout réel \(x<0\), on pose \(u(x)=\exp(-3x)\) et \(v(x)=x\). Pour tout réel \(x<0\), \(u'(x)=-3\exp(-3x)\) et \(v'(x)=1\).
Ainsi, pour tout réel \(x<0\),
\[\begin{eqnarray*}f_6′(x)&=&\dfrac{u'(x) \times v(x) – u(x) \times v'(x)}{(v(x))^2}\\&=&\dfrac{-3\exp(-3x)\times x – \exp(-3x) \times 1}{x^2}\\&=&\dfrac{(-3x-1)\exp(-3x)}{x^2}\end{eqnarray*}\]
Propriétés de la fonction exponentielle
- \((2x+5) \exp (x)=0\)
- \((3x^2+5x+2)\,\exp(3x+4)=0\)
- \(3\exp(2x+1)+6x\,\exp(2x+1) = 0\)
- \((x^2+2x+9) \exp (3x) = 0\)
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Soit \(x\) un réel. On sait que \(\exp(x)\neq 0\). Ainsi,
\[\begin{eqnarray*}
(2x+5) \exp (x)=0 & \Leftrightarrow & 2x+5=0\\
& \Leftrightarrow & x=-\dfrac{5}{2}\end{eqnarray*}\]
L’unique solution de l’équation \((2x+5) \exp (x)=0\) est \(-\dfrac{5}{2}\).
Soit \(x\) un réel. On sait que \(\exp(3x+4)\neq 0\). Ainsi,
\[(3x^2+5x+2) \exp (3x+4)=0 \Leftrightarrow 3x^2+5x+2=0\]
C’est une équation du second degré, on calcule alors le disctiminant \(\Delta\) du polynôme \(3x^2+5x+2\).
\[ \Delta = 5^2-4\times 3 \times 2 = 1 > 0\].
L’équation \((3x^2+5x+2) \exp (3x+4)=0\) admet donc deux solutions :
\[x_1=\dfrac{-5-\sqrt{1}}{2\times 3}=-1 \quad \text{et} \quad x_2=\dfrac{-5+\sqrt{1}}{2\times 3}=-\dfrac{2}{3}\]
Soit \(x\) un réel. On a \(3\exp(2x+1)+6x\,\exp(2x+1) = (3+6x)\exp(2x+1)\). Or, \(\exp(2x+1)\neq 0 \). Ainsi,
\[\begin{eqnarray*}
3\exp(2x+1)+6x\,\exp(2x+1) =0 & \Leftrightarrow & 3+6x=0\\
& \Leftrightarrow & x=-\dfrac{1}{2} \end{eqnarray*}\]
L’unique solution de l’équation \(3\exp(2x+1)+6x\,\exp(2x+1) = 0\) est \(-\dfrac{1}{2}\).
Soit \(x\) un réel. On sait que \(\exp(3x+4)\neq 0\). Ainsi,
\[(x^2+2x+9) \exp (3x+4)=0 \Leftrightarrow x^2+2x+9=0\]
C’est une équation du second degré. Le discriminant \(\Delta\) du polynôme \(x^2+2x+9\) vaut
\[ \Delta = 2^2-4\times 1 \times 9 = -32 <0\]
L’équation \((x^2+2x+9) \exp (3x+4)=0\) n’admet donc aucune solution réelle.
- Montrer que pour tout réel \(x\), \(f'(x)=(6x+13)\,\exp(2x+1)\)
- La courbe représentative de \(f\) admet-elle une ou plusieurs tangentes horizontales ? Si oui, pour quelles(s) valeur(s) de \(x\) ?
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Pour tout réel \(x\), on pose \(u(x)=3x+5\) et \(v(x)=\exp(2x+1)\). \(u\) et \(v\) sont dérivables et pour tout réel \(x\), \(u'(x)=3\) et \(v'(x)=2\exp(2x+1)\).
Ainsi, \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\),
\[\begin{eqnarray*}f'(x)&=&u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x)\\ &=& 3 \exp(2x+1)+(3x+5) \times 2\exp(2x+1)\\&=&(6x+13)\exp(2x+1)\end{eqnarray*}\]
La courbe de \(f\) admet une tangente horizontale lorsque \(f’\) s’annule. Or, pour \(x\) un réel,
\[\begin{eqnarray*}f'(x) =0 & \Leftrightarrow & (6x+13) \,\exp(2x+1) =0\\
& \Leftrightarrow & 6x+13=0\\
& \Leftrightarrow & x=-\dfrac{13}{6} \end{eqnarray*}\]
La courbe de \(f\) admet donc une tangente horizontale en \(x=-\dfrac{13}{6}\).
- A l’aide du graphique, trouver les valeurs des réels \(a\) et \(b\).
- Il semblerait que cette courbe admette une tangente horizontale en \(-1\). Retrouver ce résultat par le calcul et montrer qu’il s’agit de la seule tangente horizontale à la courbe.
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Sur le graphique, on remarque que \(f(0)=4\). Or, \(f(0)=(a\times 0 + b) \exp(0) = b\). Ainsi, \(b=4\).
De plus, on remarque que \(f(-2)=0\). Or, \(f(-2)=(-2a+4)\exp(2)\). Ainsi, puisque l’exponentielle ne s’annule pas, cela signifie que \(-2a+4=0\), c’est-à-dire \(a=2\).
Finalement, pour tout réel \(x\), \(f(x)=(2x+4)\,\exp(-x)\).
Pour tout réel \(x\), on pose \(u(x)=2x+4\) et \(v(x)=\exp(-x)\). \(u\) et \(v\) sont dérivables et pour tout réel \(x\), \(u'(x)=2\) et \(v'(x)=-\exp(-x)\).\\
Ainsi, \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\),
\[\begin{eqnarray*}f'(x)&=&u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x)\\& =& 2 \exp(-x) + (2x+4) \times (-\exp(-x))\\&=&(-2x-2)\exp(-x)\end{eqnarray*}\]
La courbe de \(f\) admet une tangente horizontal lorsque \(f’\) s’annule. Or, pour \(x\) un réel,
\[\begin{eqnarray*}
f'(x) =0 & \Leftrightarrow & (-2x-2) \,\exp(-x) =0\\
& \Leftrightarrow & -2x-2=0\\
& \Leftrightarrow & x=-1 \end{eqnarray*}\]
La courbe de \(f\) admet donc une tangente horizontale en \(x=-1\).
\(\exp(5) \times \exp(9)\) | \(\dfrac{\exp(6)}{\exp(2)} \) |
\(\exp(12) \times \dfrac{\exp(-5)}{\exp(3)}\) | \(\exp(3))^4\) |
\( \dfrac{\exp(2)\times \exp(-5)}{\exp(4)}\) | \( (\exp (3) \times \exp(-6) )^4\) |
\(\left(\dfrac{\exp(-2)}{\exp(-5)}\right)^2\) | \(\exp(-2) \times \exp(5^2)\) |
\(\dfrac{\exp(8) \times (\exp(3))^{-2}}{\exp (3) \times \exp(-1)}\) |
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- \(\exp(5) \times \exp(9)=\exp(5+9)=\exp(14)\)
- \(\dfrac{\exp(6)}{\exp(2)}=\exp(6-2)=\exp(4) \)
- \(\exp(12) \times \dfrac{\exp(-5)}{\exp(3)} = \exp(12+(-5)-3)=\exp(4)\)
- \((\exp(3))^4=\exp(3 \times 4) = \exp (12)\)
- \( \dfrac{\exp(2)\times \exp(-5)}{\exp(4)}=\exp(2+(-5)-4)=\exp(-7)\)
- \( (\exp (3) \times \exp(-6) )^4=\exp((3+(-6))\times 4)=\exp(-12)\)
- \(\left(\dfrac{\exp(-2)}{\exp(-5)}\right)^2=\exp((-2-(-5))\times 2) = \exp(6)\)
- \(\exp(-2) \times \exp(5^2)=\exp (-2+25)=\exp(23)\)
- \(\dfrac{\exp(8) \times (\exp(3))^{-2}}{\exp (3) \times \exp(-1)}=\exp(8+3\times (-2)-3-(-1))=\exp(0)=1\)
\(e^5 \times e^7\) | \(\dfrac{e^8}{e^{-3}}\) |
\(\dfrac{e^2}{(e^5)^{-4}}\) | \(\dfrac{e^3 \times e^{7}}{e^{-10}}\) |
\(\dfrac{e^2 \times e^{-7}}{e^{-4} \times e^5}\) | \( (e^{-2})^4 \times e\) |
\(\dfrac{1}{e} \times \dfrac{e^5}{e^{-3}}\) | \(((e^{2})^5)^3\) |
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- \(e^5 \times e^7=e^{12}\)
- \(\dfrac{e^8}{e^{-3}}=e^{11}\)
- \(\dfrac{e^2}{(e^5)^{-4}}=e^{22}\)
- \(\dfrac{e^3 \times e^{7}}{e^{-10}}=e^{20}\)
- \(\dfrac{e^2 \times e^{-7}}{e^{-4} \times e^5}=e^{-6}\)
- \( (e^{-2})^4 \times e = e^{-7}\)
- \(\dfrac{1}{e} \times \dfrac{e^5}{e^{-3}}=e^7\)
- \(((e^{2})^5)^3=e^{30}\)
\(e^{3x+1} \times e^{5x+2}\) | \((e^{2t-4})^5\) |
\(\dfrac{e^{2x+5}}{e^{4x+7}}\) | \(\dfrac{e^{2x+1} \times e^{5-8x}}{e^{2x+3}}\) |
\(\dfrac{e^{7-2t}}{e^{3t+4} \times e^{-4t+1}}\) | \(\dfrac{e^{2x+3t} \times e^{4x-5t}}{e^{2t+8x}}\) |
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- \(e^{3x+1} \times e^{5x+2}=e^{8x+3}\)
- \((e^{2t-4})^5=e^{10t-20}\)
- \(\dfrac{e^{2x+5}}{e^{4x+7}}=e^{-2x-2}\)
- \(\dfrac{e^{2x+1} \times e^{5-8x}}{e^{2x+3}}=e^{-8x+3}\)
- \(\dfrac{e^{7-2t}}{e^{3t+4} \times e^{-4t+1}}=e^{2-t}\)
- \(\dfrac{e^{2x+3t} \times e^{4x-5t}}{e^{2t+8x}}=e^{-2x-4t}\)
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On utilise une identité remarquable
\[(e^x+e^{-x})^2 = (e^x)^2+2 \times e^x \times e^{-x} + (e^{-x})^2=e^{2x}+2+e^{-2x}\]
De même,
\[(e^x-e^{-x})^2 = (e^x)^2-2 \times e^x \times e^{-x} + (e^{-x})^2=e^{2x}-2+e^{-2x}\]
Ainsi,
\[(e^x+e^{-x})^2-(e^x+e^{-x})^2=e^{2x}+2+e^{-2x}-(e^{2x}-2+e^{-2x})=4\]
Il est également possible de factoriser.
- Pour tout \(n\in\mathbb{N}\), que vaut \(\dfrac{u_{n+1}}{u_n}\) ?
- En déduire que la suite \((u_n)\) est géométrique. Préciser sa raison et son premier terme.
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Pour tout entier \(n\)
\[\dfrac{u_{n+1}}{u_n}=\dfrac{e^{2(n+1)+3}}{e^{2n+3}}=\dfrac{e^{2n+5}}{e^{2n+3}}=e^{2n+5-(2n+3)}=e^2\]
Ainsi, pour tout entier \(n\),
\[u_{n+1}=e^2 \times u_n\]
La suite \((u_n)\) est donc géométrique de raison \(e^2\).
En utilisant le résultat du chapitre sur les suites géométriques, on a
\[u_0+u_1+u_2+\ldots + u_{16}=u_0 \times \dfrac{1-(e^2)^{16+1}}{1-e^{2}}=e^3 \times \dfrac{1-e^{34}}{1-e^2}\]
- \((3x+2)\, e^x > 0\)
- \((5x-4)\, e^{6-3x}\leqslant 0\)
- \((8x+2)(3x-1)\, e^{5x-4} < 0\)
- \((4x^2+5x-6)\, e^{2x^2-3x+1} \leqslant 0\)
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- L’exponentielle étant toujours strictement positive, on a \((3x+2)\, e^x > 0\) si et seulement si \(3x+2>0\), c’est-à-dire \(x>-\dfrac{2}{3}\).
\[S= \left] -\dfrac{2}{3} ; +\infty \right[ \] - L’exponentielle étant toujours strictement positive, on a \((5x-4)\, e^{6-3x}\leqslant 0\) si et seulement si \(5x-4\leqslant 0\), c’est-à-dire \(x\leqslant \dfrac{4}{5}\).
\[S= \left] -\infty ; \dfrac{4}{5} \right] \] - L’exponentielle étant toujours positive, on s’intéresse au signe de \((8x+2)(3x-1)\). Pour cela, on construit un tableau de signe.
Ainsi, \( S= \left] -\dfrac{1}{4} ; \dfrac{1}{3} \right[ \)
- L’exponentielle étant toujours positive, on s’intéresse au signe de \(4x^2+5x-6\). Il s’agit d’une expression polynomiale du second degré. On calcule son discriminant \(\Delta\).
\[ \Delta = 5^2 – 4 \times (-6) \times 4 = 121 >0 \]
Ainsi, le polynôme \(4x^2+5x-6\) possède deux racines
\[ x_1 = \dfrac{-5-\sqrt{121}}{2\times 4}= -2 \quad \text{et} \quad x_2 = \dfrac{-5+\sqrt{121}}{2\times 4}= \dfrac{3}{4}\]
Le coefficient en \(x^2\) est 4, qui est positif. Ainsi, \(4x^2+5x-6\) est « positif à l’extérieur des racines ».Ainsi, \( S = \left[ -2 ; \dfrac{3}{4} \right] \)
Études de fonctions
- Soit \(x\) un réel, que vaut \(f'(x)\) ?
- En déduire le signe de \(f’\) et les variations de \(f\).
- Tracer une allure possible de la courbe de \(f\) dans un repère orthogonal.
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Pour tout réel \(x\), \(f'(x)=4e^{4x-5}\)
L’exponentielle est toujours positive. Ainsi, pour tout réel \(x\), \(f'(x)>0\). \(f\) est donc strictement croissante.
- Montrer que pour tout réel \(x\), \(f'(x)=(-x+1)\, e^x\)
- Construire le tableau de signes de \(f’\) et en déduire les variations de \(f\).
- Où la fonction \(f\) atteint-elle son maximum ?
- On admet que la courbe de la fonction \(f\) se rapproche de 0 en \(-\infty\). Tracer une allure possible de la courbe de \(f\) dans un repère orthogonal.
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Pour tout réel \(x\), on pose \(u(x)=-x+1\) et \(v(x)=e^x\). \(u\) et \(v\) sont dérivables sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\), \(u'(x)=-1\) et \(v'(x)=e^x\). Ainsi, \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\).
\[\begin{eqnarray*}f'(x)&=&u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x) \\&=& -1 \times e^x + (-x+2) \times e^x\\& =& (-x+1)e^x\end{eqnarray*}\]
L’exponentielle étant toujours strictement positive, on s’intéresse seulement en signe de \(-x+1\). Celui-ci change seulement en 1.
La fonction \(f\) admet son maximum en 1.
- A l’aide du graphique, déterminer le signe de \(a\)
- A l’aide du graphique, déterminer le signe de \(b\).
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- On regarde en 0 : \(f(0)=a \times exp(0) = a\). Sur le graphique, on voit que \(f(0)>0\), \(a\) est donc positif.
- On a \(f'(x)=-ab \, \exp(-bx)\). Or, \(a\) est positif et l’exponentielle l’est également. La fonction est décroissante ce qui signifie que \(f'<0\). Ainsi, \(-b>0\), d’où \(b>0\).
- Montrer que pour tout réel \(x\), \(f'(x)=(4x^2+20x+18)\, e^{2x+3}\).
- En déduire le tableau de signe de \(f’\) et les variations de \(f\).
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Pour tout réel \(x\), on pose \(u(x)=2x^2+8x+5\) et \(v(x)=e^{2x+3}\). \(u\) et \(v\) sont dérivables et pour tout réel \(x\),
\[\begin{eqnarray*} f'(x)&=& u'(x) \times v(x) + u(x) \times v'(x) \\&=& (4x+8) \times e^{2x+3} + (2x^2+8x+5) \times 2e^{2x+3} \\&=& (4x^2+20x+18)e^{2x+3}\end{eqnarray*}\]
L’exponentielle étant toujours positive, il suffit d’étudier le signe de \(4x^2+20x+18\). C’est un polynôme du second degré. Calculons son discriminant \(\Delta\).
\[ \Delta = 20^2-4 \times 4 \times 18=112>0 \]
Le polynôme admet donc deux racines
\[ x_1=\dfrac{-20-\sqrt{112}}{2\times 4}=\dfrac{-20-4\sqrt{7}}{8}=-\dfrac{5}{2}-\dfrac{\sqrt{7}}{2} \quad et \quad x_2=\dfrac{-20+\sqrt{112}}{2\times 4}=\dfrac{-20+4\sqrt{7}}{8}=-\dfrac{5}{2}+\dfrac{\sqrt{7}}{2}\]
Le tableau de variation de \(f\) est donc le suivant.
- Pour \(a=0\), donner les équations réduites de \(T_0\) et \(D_0\).
- En général, donner les équations réduite de \(T_a\) et \(D_a\).
- Montrer que pour tout réel \(a\), \(T_a\) et \(D_a\) sont perpendiculaires.
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Remarquons que pour tout réel \(x\), \(f'(x)=e^x\) et \(g'(x)=-e^{-x}\).
- L’équation de \(T_0\) est \(y=f'(0) (x-0) + f(0)\), soit \(y=x+1\)
- L’équation de \(D_0\) est \(y=g'(0) (x-0) + g(0)\), soit \(y=-x+1\)
Soit \(a\) un réel,
- L’équation de \(T_a\) est \(y=f'(a) (x-a) + f(a)\), soit \(y=e^a\, x + e^(a)\,(1-a)\)
- L’équation de \(D_a\) est \(y=g'(a) (x-a) + g(a)\), soit \(y=-e^{-a}\,x+e^{-a} \,(1+a)\)
On rappelle que le vecteur de coordonnées \(\begin{pmatrix}1\\m\end{pmatrix}\) est un vecteur directeur de la droite d’équation \(y=mx+p\). Ainsi, \(\vec u_a \begin{pmatrix}1 \\ e^a\end{pmatrix}\) est un vecteur directeur de \(T_a\) et \(\vec v_a \begin{pmatrix}1 \\ -e^{-a}\end{pmatrix}\) est un vecteur directeur de \(D_a\). On calcule le produit scalaire de ces deux vecteurs. Puisque l’on est dans un repère orthonormé, on peut utiliser la formule « \(xx’+yy’\). Ainsi,
\[ \overrightarrow{u_a} \cdot \overrightarrow{v_a} = 1 \times 1 + e^a \times (-e^{-a})=1-1=0\]
Les vecteurs \(\overrightarrow{u_a}\) et \(\overrightarrow{v_a}\) sont orthogonaux, les droites \(T_a\) et \(D_a\) sont donc perpendiculaires.
- \(e^{2x+1}=e^{3}\)
- \(e^{3x+1}=e^{4-9x}\)
- \(e^{3x^2+5x-8}=1\)
- \((e^x-1)(3x+2)=0\)
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- Soit \(x\) un réel. \(e^{2x+1}=e^{3} \Leftrightarrow2x+1=3 \Leftrightarrow x = 1\). L’unique solution de l’équation \(e^{2x+1}=e^{3}\) est \(1\).
- Soit \(x\) un réel. \(e^{3x+1}=e^{4-9x}\Leftrightarrow 3x+1=4-9x \Leftrightarrow x = \dfrac{1}{4}\). L’unique solution de l’équation \(e^{3x+1}=e^{4-9x}\) est \(\dfrac{1}{4}\).
- On rappelle que \(1=e^0\). Ainsi, soit \(x\) un réel.
On a \(e^{3x^2+5x-8}=1\Leftrightarrow 3x^2+5x-8=0\). C’est une équation du second degré. La résolution de cette équation avec le discriminant donne alors deux solutions, \(1\) et \(-\dfrac{8}{3}\).
- Soit \(x\) un réel. \((e^x-1)(3x+2)=0 \Leftrightarrow e^x-1 = 0 \text{ ou } 3x+2=0\). On utilise le fait qu’un produit est nul si et seulement si un des facteurs est nul. Ainsi, les solutions sont \(0\) et \(-\dfrac{2}{3}\).
\[4e^{2t}+7e^{t}-11=0\]
On pourra poser \(X=e^t\) et faire un changement de variable.
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Posons \(X=e^t\), alors \(X^2=(e^t)^2=e^{2t}\). L’équation se réécrit
\[4X^2+7X-11=0\]
C’est une équation du second degré qui a deux solutions, \(X_1=1\) et \(X_2=-\dfrac{11}{4}\).
Ainsi, \(4e^{2t}+7e^{t}-11=0\) si et seulement si \(X=1\) ou \(X=-\dfrac{11}{4}\), c’est-à-dire \(e^t=1\) ou \(e^t=-\dfrac{11}{4}\). Le premier cas donne \(t=0\). Le deuxième est impossible car une exponentielle est toujours positive. L’unique solution est donc 0.
- \(e^{3t+2}\leqslant e^{7}\)
- \(e^{2-4x}>e^{6x-5}\)
- \(e^{3x^2+5x-8}\geqslant e^{2x+7}\)
- \(\dfrac{e^{3x+7}}{e^{5x-8}}<e^{4x-1}\)
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- Soit \(t\) un réel. \(e^{3t+2}\leqslant e^{7} \Leftrightarrow 3t+2 \leqslant 7 \Leftrightarrow t \leqslant \dfrac{5}{3}\). Ainsi, \(S=\left]-\infty; \dfrac{5}{3} \right]\).
- Soit \(x\) un réel. \(e^{2-4x}>e^{6x-5} \Leftrightarrow 2-4x > 6x-5 \Leftrightarrow x < \dfrac{7}{10}\). Ainsi, \(S=\left]-\infty; \dfrac{7}{10} \right[\).
- Soit \(x\) un réel. \(e^{3x^2+5x-8}\geqslant e^{2x+7} \Leftrightarrow 3x^2+5x-8 \geqslant 2x+7 \Leftrightarrow 3x^2+3x-15 \geqslant 0\).
On a une inéquation du second degré, on calcule le discriminant \(\Delta\) du polynôme \(3x^2+3x-15\).
\[ \Delta = 3^2-4\times 3 \times (-15)=189>0\]
Le polynôme a deux racines réelles distinctes, et est positif (du signe de 3) en dehors de ces racines.
\[ x_1 = \dfrac{-3-\sqrt{189}}{2\times 3}=\dfrac{-3-3\sqrt{21}}{6}=-\dfrac{1}{2}-\dfrac{\sqrt{21}}{2} \quad et \quad x_2 = \dfrac{-3+\sqrt{189}}{2\times 3}=\dfrac{-3+3\sqrt{21}}{6}=-\dfrac{1}{2}+\dfrac{\sqrt{21}}{2}\]
Ainsi, \(S=\left]-\infty; -\dfrac{1}{2}-\dfrac{\sqrt{21}}{2} \right] \cup \left[ -\dfrac{1}{2}+\dfrac{\sqrt{21}}{2} ; + \infty \right[\) - Soit \(x\) un réel. En simplifiant, on a que \(\dfrac{e^{3x+7}}{e^{5x-8}}=e^{3x+7-(5x-8)}=e^{-2x+15}\). Ainsi,
\[\dfrac{e^{3x+7}}{e^{5x-8}}<e^{4x-1} \Leftrightarrow e^{-2x+15} < e^{4x-1} \Leftrightarrow -2x+15 < 4x-1 \Leftrightarrow x > \dfrac{8}{3}\]
Finalement, \(S=\left] \dfrac{8}{3};+\infty \right[\).
Une réflexion au sujet de « Fonction exponentielle : exercices corrigés »
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